DNA折纸折叠成微型电机

根据发表在《自然纳米技术》杂志上的研究，科学家们创造了世界上第一个工作的纳米级电动机。该科学团队设计了一种由 DNA 制成的涡轮机，由纳米孔(固态氮化硅膜上的纳米大小的孔)内的流体动力流动提供动力。

这种微型电机可以帮助激发对未来应用的研究，例如建造有用化学品的分子工厂或血液内分子的医学探针以检测癌症等疾病。

研究合著者、伊利诺伊大学香槟分校物理学教授阿列克谢·阿克西门耶夫 (Aleksei Aksimentiev) 表示：“普通的宏观机器在纳米尺度上变得效率低下。” “我们必须开发新的原理和物理机制来实现非常非常小的规模的电动机。”

微型电机的实验工作由代尔夫特理工大学的 Cees Dekker 和慕尼黑工业大学的 Hendrik Dietz 进行。

Dietz 是世界 DNA 折纸专家。他的实验室操纵 DNA 分子来制造微型电机的涡轮，该涡轮由 30 个双链 DNA 螺旋组成，这些螺旋被设计成一个轴和三个大约 72 碱基对长度的叶片。德克尔的实验室工作证明涡轮机确实可以通过施加电场来旋转。Aksimentiev 的实验室对 500 万个原子的系统进行了全原子分子动力学模拟，以表征电机工作原理的物理现象。

该系统是能够产生有意义的实验结果的最小表示;然而，“从 DNA 折纸的角度来看，这是有史以来最大的模拟之一，”阿克西门捷夫说。

不可能的任务到可能的任务

德克萨斯高级计算中心 (TACC) 授予 Aksimentiev 领导资源分配，以帮助他在国家科学基金会 (NSF) 资助的美国顶级学术超级计算机 Frontera 上研究中尺度生物系统

“Frontera 在这项 DNA 纳米涡轮工作中发挥了重要作用，”Aksimentiev 说。“我们在两到三周内获得了微秒级模拟轨迹，而不是在较小的计算系统上等待一年或更长时间。大型模拟是在 Frontera 上使用大约四分之一的机器(超过 2,000 个节点)完成的，”Aksimentiev 说。“然而，这不仅仅是硬件，还有与 TACC 工作人员的互动。一旦有机会，充分利用资源就极其重要。”

Aksimentiev 还获得了 NSF 资助的高级网络基础设施协调生态系统：服务与支持 (ACCESS) 的超级计算机分配，该生态系统位于圣地亚哥超级计算机中心和普渡大学 Anvil。

“我们要模拟多达 100 个不同的纳米电机系统。我们必须在不同的条件下快速运行它们，而 ACCESS 超级计算机可以完美地协助这一点，”Aksimentiev 说。“非常感谢美国国家科学基金会的支持——如果没有这些系统，我们将无法开展我们所做的科学研究。”

DNA 作为构建模块

DNA 纳米涡轮机的成功建立在之前一项研究的基础上，该研究也使用了 Frontera 和 ACCESS 超级计算机。研究表明，单个 DNA 螺旋是人们可以建造的最小的电动机——它每分钟可以旋转十亿转。

Aksimentiev 表示，DNA 已成为纳米级的建筑材料。

“DNA 碱基对是一种非常强大的编程工具。我们可以使用 Cadnano 软件对 DNA 进行几何三维物​​体编程，只需对构成双螺旋梯级的字母序列进行编程，”他解释道。

使用 DNA 作为构建模块的另一个原因是它带有负电荷，这是制造电动机的基本特征。

“我们想要复制最壮观的生物机器之一——由电场驱动的 ATP 合酶。我们选择用 DNA 来制作我们的马达，”Aksimentiev 说。

“这项新工作是第一个我们可以控制旋转速度和方向的纳米级电机，”他补充道。这是通过调整固态纳米孔膜上的电场和转子周围流体的盐浓度来完成的。

“未来，我们也许能够使用新的纳米级电动机合成分子，或者我们可以将其用作更大的分子工厂的元素，在那里物体可以移动。或者我们可以将其想象为软体的载体推进，合成系统可以进入血流并一次探测一个分子或细胞，”阿克西门耶夫说。

如果您认为这听起来像是 1960 年代科幻电影中的场景，那么您是对的。在电影《奇幻航程》中，核潜艇中的一队美国人被缩小并注射到科学家体内以修复血凝块，并需要在小型化失效之前迅速开展工作。

尽管这听起来有些牵强，但阿克西门捷夫表示，我们今天正在开发的机器的概念和元件可以使这样的事情发生。

“我们之所以能够实现这一目标，是因为有了超级计算机，”阿克西门耶夫说。“随着我们构建的系统复杂性的增加，超级计算机变得越来越不可或缺。它们是计算显微镜，在终极分辨率下可以看到单个原子的运动以及它如何与更大的系统耦合。”

资金来自 ERC 高级拨款，编号：883684 以及 NanoFront 和 BaSyC 计划;通过 Gottfried-Wilhelm-Leibniz 计划(HD)向 HD(GA 编号 724261)、Deutsche Forschungsgemeinschaft 和 SFB863 项目 ID 111166240 TPA9 提供 ERC 合并补助金;国家科学基金会授予 DMR-1827346;Max Planck School Matter to Life 和 MaxSynBio 联盟。超级计算机时间是通过 Frontera 上的 TACC 领导资源分配 MCB20012 和 ACCESS 分配 MCA05S028 提供的。